3 Ferro-liga. As principais ligas utilizadas são FeSiMn, FeSi, FeCr, CaSi.
3.8.2 – Laminação
a) Forno de reaquecimento
A função do forno de reaquecimento é elevar a temperatura dos tarugos até que o material esteja suficientemente plástico para permitir a redução mecânica e obtenção de perfil desejado para o produto.
Na laminação de barras na UGV, os tarugos são estocados em pátio aberto e em seguida são enfornados por um equipamento para o forno de reaquecimento.
Algumas condições devem ser controladas para garantir o bom desempenho da laminação e a boa qualidade do produto desejado, sobretudo da barra chata ABNT 5160 destinada à produção de feixes de mola. Controla-se automaticamente por PLC´s (controll logic programmable) a temperatura nas várias regiões do forno e sua atmosfera.
Os objetivos do controle de temperatura e atmosfera são:
Garantir a homogeneidade na distribuição de temperatura ao longo do tarugo de forma a evitar variações de bitola e geração de defeitos durante a laminação;
Garantir que o tarugo atinja uma temperatura dentro de uma faixa estabelecida como sendo a melhor para o desempenho do laminador;
Evitar descarbonetação excessiva, que poderá vir a ser um item de desclassificação da barra para aplicação em feixes de mola;
Evitar superaquecimento isolado, que poderá gerar pontos de microfusão com conseqüente geração de defeitos de superfícies e que gerarão barras rejeitadas.
A faixa de temperatura utilizada para o aço ABNT 5160 para cada região do forno de reaquecimento é mostrada na tabela III.4.
Zona 1 de aquecimento ( C) Zona 2 de Aquecimento ( C) Zona de encharque ( C)
700 850 1180
b) Laminador de barras da UGV
A laminação a quente da BELGO UGV possui duas linhas de produção para diversos produtos – perfis, cantoneiras, vergalhão, barras redondas e chatas – em bitolas que variam na sua dimensão nominal de 12 a 150 mm.
O laminador de barras é semicontínuo com cadeira desbastadora do tipo trio e dois conjuntos de cadeiras de laminação do tipo duo localizadas em fluxo contínuo de produção.
Após o reaquecimento de tarugos, a barra é enviada ao laminador de barras descrito acima, e resfria-se para temperatura próxima a ambiente em leito de resfriamento.
A temperatura de início de laminação do tarugo situa-se em torno de 1150 C e após o último passe a barra tem cerca de 850 C de temperatura. O leito de resfriamento, do tipo viga caminhante, leva a barra até um caminho de rolos, que a conduz a uma TABELA III.4 – Temperaturas usuais no forno de reaquecimento
máquina de corte do tipo navalha para obtenção do comprimento final desejado para o produto. Em seguida, as barras são empacotadas, cintadas, pesadas e identificadas, estando assim prontas para irem ao estoque ou embarcarem para o cliente.
c) Produto barra chata para aplicação em feixes de mola
Barra chata são produtos laminados a quente com seção retangular. As barras chatas produzidas na UGV têm comprimentos normalmente utilizados pelo mercado - 6 e 12m – e espessura e largura que variam de 3 a 130mm.
As barras passam por inspeções visuais de qualidade ao longo da laminação e acabamento de forma a garantir que defeitos de superfície permitidos, caso existam, estejam dentro de limites estabelecidos e que não afetem negativamente sua aplicação. As barras ABNT 5160 para aplicação em feixes de mola devem ser isentas de defeitos tipo trinca, dobra de laminação, palhas e sobreposto e podem conter riscos leves causados por fricção durante ou após a laminação.
3.9 – Fluxo de produção de feixe de mola
O fluxo adotado em geral para produção de feixes de mola utilizando como matéria- prima barras chatas laminadas a quente do aço ABNT 5160 é mostrado na figura 3.14.
31
3.9.1 – Processo de têmpera para produção de feixes de mola
Os produtores de mola realizam a têmpera das barras, normalmente, com as seguintes variáveis estabelecidas:
a) Temperatura de aquecimento: 860 a 880ºC;
b) Tempo de aquecimento: 90 segundos por milímetro de espessura da barra. Por exemplo, para barra de dimensões 80 x 16mm, o tempo de forno é de 1440 segundos;
c) Resfriamento brusco em tanque com óleo;
d) Temperatura do óleo: 60 a 80ºC
Recepção das barras laminadas
Corte e furação a quente
Confecção do olhal
Arqueamento
Têmpera e revenimento
Jateamento e pintura
Estoque e expedição
Figura 3.14 – Esquema do fluxo de produção de feixes de molas.
e) Temperatura de revenimento: 430 a 450ºC;
f) Tempo de revenimento: 5400 s.
Após o processamento térmico descrito acima, as durezas obtidas na barra são:
a) Após têmpera: mínimo de 56 HRC;
b) Após revenimento: entre 44 a 48 HRC.
A tabela III.5 apresenta variações em propriedades da barra que são alteradas no tratamento térmico de têmpera e revenimento, quando comparadas com o estado bruto de laminação:
Propriedade Valor na barra laminada Valor na barra revenida Composição química Não há alterações significativas
Dureza 30 a 34 HRC (280 a 320 HB) 44 a 48 HRC (409 a 455 HB)
Descarbonetação parcial 0,10 a 0,20 mm 0,30 mm
Tamanho de grão austenítico 8 – 6 (ASTM E112) 8 – 5 (ASTM E112) Tabela III.5 – Variações de propriedades esperadas para o aço antes e após tratamento térmico.
CAPÍTULO 4 – METODOLOGIA
Neste capítulo são apresentados os procedimentos adotados na realização do trabalho.
4.1 – Materiais
Para realização deste estudo, foram utilizados aços produzidos de três corridas diferentes em escala normal de produção da Belgo – Usina Grande Vitória, cujas composições químicas estão registradas na tabela IV.1. A numeração das corridas é a utilizada na seqüência e época de produção. A corrida de numeração seqüencial 38869 foi produzida sem a adição de nióbio (teor de Nb considerado igual a 0,00%). A corrida 38863, por sua vez, recebeu adição de Nb e apresentou teor final deste elemento igual a 0,020%, e a corrida 38864, na qual também se efetuou adição deste elemento de liga, o teor final obtido foi de 0,04% de nióbio.
A análise química das corridas utilizadas no trabalho foi feita utilizando-se um espectrômetro de emissão ótica do laboratório da aciaria da Belgo.
# da Corrida Teor de Nb C Mn Si P S Nb Cu Cr Ni Sn Mo
38869 0,00% 0,59 0,89 0,22 0,028 0,034 -- 0,13 0,76 0,06 0,017 0,015 38863 0,02% 0,59 0,88 0,23 0,032 0,026 0,02 0,19 0,82 0,05 0,019 0,017 38864 0,04% 0,57 0,83 0,23 0,035 0,027 0,04 0,17 0,81 0,06 0,019 0,016
A escolha destas composições visa identificar a influência do elemento químico nióbio nas propriedades mecânicas, principalmente dureza e resistência à fadiga, além de limite de escoamento, limite de resistência e alongamento, da barra chata laminada a quente temperada e revenida para aplicação em feixe de mola.
A proposta inicial consistia em comparar corridas em que todos os elementos, exceto o Nb, estivessem presentes em percentuais iguais nas três corridas. Entretanto, como as corridas utilizadas foram parte do processo de produção em escala normal, sofreram as variações pertinentes ao processo e geraram os resultados mostrados na tabela IV.1. Considerou-se, para a continuidade da pesquisa, que os outros elementos que, assim como as outras condições de produção são semelhantes, com diferenças Tabela IV.1 – Composições químicas obtidas dos aços utilizados no estudo (% em peso).
que não invalidam a análise comparativa das corridas. Desta forma, pode-se avaliar a influência desses percentuais do elemento microligante.
Para a análise das características do produto no estado laminado foram retiradas amostras da barra chata após resfriamento no leito da laminação na usina. Essas amostras foram analisadas no laboratório metalográfico da Belgo e no laboratório de Metalografia e Microscopia Eletrônica da Escola de Engenharia da UFMG.
Para a análise das características do produto temperado e revenido, foram produzidos feixes de mola em tamanho real e testados em escala de produção em um cliente parceiro da Belgo. Destas peças foram também retiradas amostras para análise metalográfica.
4.2 – Rota de fabricação
4.2.1 – Produção da barra laminada a quente
Para fabricação das corridas consideradas no estudo foram utilizadas três rotas de fabricação na aciaria: produção de tarugo sem adição de nióbio, produção de tarugo com adição de nióbio objetivada de 0,020% e produção de tarugo com adição de nióbio objetivada de 0,040% em peso.
Na laminação foi utilizada uma mesma rota de fabricação conforme a seqüência descrita no item 3.8.2 deste trabalho. As corridas foram enfornadas e laminadas subseqüentemente para minimizar as diferenças de condições operacionais.
Os tarugos utilizados na produção das corridas relacionadas possuíam dimensões nominais na seção transversal quadrada de 130x130mm e a bitola final das barras laminadas a quente tinham seção retangular nominal de 80x16mm. Esta bitola foi selecionada entre outras, por se tratar de dimensão de alto uso na indústria o que facilitaria tanto a produção na usina quanto o teste no cliente, já que os mesmos foram feitos em escala de produção.
A figura 4.1 ilustra a curva de aquecimento e resfriamento aproximado durante a laminação das corridas em estudo.
4.2.2 – Produção do feixe de mola e tratamento térmico
Foram produzidos feixes de mola e realizados tratamentos térmicos de têmpera e revenimento conforme descrito no item 3.9.1 deste trabalho.
4.3 – Análise do produto
Foram analisadas amostras do produto no estado laminado e após tratamento térmico de têmpera e revenimento para caracterização microestrutrutal e avaliação das propriedades mecânicas. Encharque 1000 500 Aquecimento Laminação e Resfriamento
Último passe de laminação com T em torno de 850 C. 1150 C a 1200 C 10,0 14,4 18 Tempo (s x 1000) T e m p e ra tu ra ( C )
Figura 4.1 – Esquema do ciclo térmico utilizado na laminação de tarugos na Belgo UGV (fonte: Manual de operação da laminação leve).
4.3.1 – Produto laminado a quente
a) Caracterização microestrutural
Foram retiradas amostras, no material no estado de laminado a quente, para medição do tamanho de grão austenítico, o que foi feito conforme norma ASTM E-112, sendo adotado o método de têmpera para revelação dos contornos e foi realizada a medição da área de cada grão. Neste método, utilizado para teores de carbono acima de 0,35%, elevou-se a temperatura da amostra até 870 C, realizou-se o encharque por 7200 segundos e em seguida resfriou-se bruscamente em água. Em seguida a superfície da amostra foi lixada e polida, lavada com álcool e secada com soprador térmico. Para o ataque ácido, realizado por imersão a frio durante 30 minutos para revelar os contornos de grãos, foi utilizado o reagente teepol. A microestrutura foi analisada tanto no sentido longitudinal como na seção transversal da barra. Mediu-se também a dureza, em escala Brinell, utilizando um durômetro do laboratório de ensaios mecânicos da Belgo UGV, além de se avaliar o nível de inclusões, conforme norma ASTM E-45, e a profundidade de descarbonetação parcial.
b) Avaliação mecânica no ensaio de tração
Amostras do material laminado a quente foram retiradas para confecção dos corpos de prova com o intuito de avaliar as propriedades mecânicas de tração. O objetivo foi avaliar possíveis diferenças nos resultados de limite de escoamento, limite de resistência e alongamento do material no estado laminado, devido aos diferentes percentuais de adição de nióbio no aço.
As amostras para o ensaio de tração foram preparadas segundo a norma ASTM A-370 e foram retiradas de uma região da barra entre a borda e o centro, conforme mostrado na figura 4.2. As dimensões do corpo de prova, que tinha seção transversal circular, estão mostradas na figura 4.3.
A linha pontilhada indica a região da barra de onde foram retiradas as amostras para ensaio de tração.
Figura 4.2 – Indicação esquemática da região da barra chata laminada de onde foram retirados corpos de prova para ensaio de tração.
Figura 4.3 – Forma e dimensões dos corpos de prova confeccionados para ensaio de tração (Fonte de dados: Norma ASTM A370).
4.3.2 – Produto temperado e revenido
a) Medição de dureza e avaliação da microestrutura
Foram retiradas amostras após tratamento térmico de têmpera e revenimento para avaliação da estrutura e medição de dureza. A estrutura foi avaliada em duas regiões distintas das amostras, com o objetivo de se verificar possíveis diferenças da estrutura final de têmpera: próximo à borda e na região central. Assim como realizado para a barra laminada, utilizou-se um durômetro de bancada para se medir a dureza de amostras temperadas e revenidas ao longo de toda a seção transversal, como indicado na figura 4.4.
Figura 4.4 – Indicação da região onde foram realizadas medições de dureza.
4.3.3 – Teste de fadiga
Foram preparadas, no processo de produção do cliente Cindumel Indústria de Molas, lâminas de feixes de mola segundo o fluxograma de produção descrito no item 3.9 e com parâmetros de processo de tratamento térmico conforme descritos no item 3.9.1. As lâminas foram produzidas a partir das corridas de aços com 0%, 0,02% e 0,04% de Nb com o objetivo de se avaliar a resistência à fadiga dos aços em estudo.
O teste de fadiga foi conduzido conforme norma ASTM. A figura 4.5 mostra um conjunto de lâmina sendo submetida ao teste de fadiga.
Os valores de tensão máxima e mínima utilizadas no ensaio, bem como a freqüência e os outros parâmetros de ensaio, foram os seguintes:
Figura 4.5 – Feixe de molas montado em máquina para ensaio de fadiga (Fonte: Cindumel – Indústria de Molas – SP).
mínima = 412 MPa; máxima = 1196 MPa;
R = máxima - mínima = 784 MPa; a = R/2 = 392 MPa;
m = ( máxima + mínima)/2 = 804 MPa; R = máxima / mínima = 2,9
A = a / m = 0,49
A freqüência aplicada foi de 36 ciclos por minuto (0,6 Hz).
A figura 4.6 mostra os três tipos básicos de ciclos regulares de tensão aplicados em teste de fadiga. Para o feixe de mola é aplicado o ciclo regular do tipo (b): tensão repetida (campo de tração).
Figura 4.6 – Tipos de ciclos regulares de tensão para teste de fadiga: (a) tensão reversa; (b) tensão repetida – campo de tração; (c) tensão repetida – campo de tração e compressão(7).